內窺鏡是外科手術和診斷中用于觀察人體內部的一種幾乎無創的醫學設備（如圖1所示）。這種方法最早出現在19世紀，如今有了更多的應用，從耳鼻喉等外部器官檢查到復雜的胃腸道、呼吸道和脊椎手術。

 

傳統內窺鏡使用硬管子導光，通過光學元件成像用于人眼觀察。這種內窺技術在人體內的插入深度有限。

 

隨著光纖的出現，內窺鏡開始使用柔性導管，能夠更深地插入身體中，幾乎不影響手術。光纖的光收集效率也更高，能夠精密照明并觀察解剖進展。而紅綠藍電子相機也取代人眼用作探測器，而光源則變成了寬帶氙燈和鹵素燈。

 

近年來，LED技術正在成為內窺鏡的首選光源，因為其壽命長、穩定性高、而且更容易集成在內窺系統中。結合高速發展的微電子學和光學，LED照明為該領域帶來了各種新的發展和應用。

 

過去幾十年中，氙燈曾是內窺鏡系統的黃金標準。氙燈具有寬光譜范圍，提供高亮、穩定的寬帶輸出和均勻照明，不僅是很多生物醫學應用的理想選擇，更是極大地改進了內窺鏡技術和深度腔內手術照明。氙燈比傳統白熾燈的壽命更長，性能比鹵素燈更優越。

 

氙燈也具有更理想的相關色溫（CCT，如圖2所示）和顯色指數（CRI）。CRI用于表征光源還原被觀察物體顏色的好壞。CRI越高，越能準確地還原物體顏色（如圖3所示）。這一點對于醫學專家很重要，因為他們能夠根據色差識別解剖情況。氙燈是觀察組織真實顏色的理想照明光源，幫助提高診斷和治療的準確度。

 

氙燈得益于多年的創新，它們具有很寬的輸出功率范圍——一般從80瓦到400瓦以上。氙燈的主要缺點是壽命不長，一般從500到1000小時。

 

因為LED光學引擎在亮度和寬波長范圍的不斷改善，所以越來越受到內窺鏡系統的青睞。生產LED時能夠定制相關色溫，而且LED在整個壽命期間提供穩定的相關色溫。LED壽命長，所以不用在內窺鏡系統中頻繁更換。

 

更先進的LED系統現場使用時可以主動調節相關色溫。如果白光是各個RGB LED的合成，那么用戶能夠調節每種可見光顏色，得到舒服的白光或相關色溫?？烧{特性能緩解手術時的眼睛疲勞，提高組織形態的對比度，更有利于觀察。

 

LED系統還能高效地與RGB相機耦合，因為RGB波長都可以精密調諧，從而獲得最佳信噪比（如圖4所示）。LED還能整形輸出光譜，從而調節到最適合相機或人眼CCT和CRI值。在儀器使用中，可以調節每種顏色強度達到平衡，因為每種顏色強度都會隨時間時間減弱。

 

自發熒光技術是1990年代末期出現的一種方法，它通過激發細胞或組織的內源熒光來研究感興趣的區域2,3。正常組織和癌變組織的發射光譜不同，生理學中認為這是疾病改變了化學成分。

 

2000年代初期出現了色素內窺鏡檢查法4，這種技術在內窺檢查時使用生物染料染色感興趣區域。常用的染料有亞甲藍、甲苯胺藍和結晶紫。每種染料都能用于特定類型的細胞染色，方便識別粘膜和組織的結構。

 

相比傳統的內窺技術，色素內窺鏡和自發熒光內窺鏡都能提高形態分辨率。盡管它們比傳統內窺鏡更靈敏，它們也是非特異性的，增加假陽性診斷5。

 

手術中越來越多地使用熒光生物標記來區分形態或識別病變組織。ICG（吲哚菁綠）就是其中著名的一種，FDA已批準手術使用。

 

ICG使血漿蛋白染色。其目標靶區是淋巴結和血管，引導手術切除病變組織，這個手術在一般可見光下是很難做到的6。ICG熒光是被比可見光穿透深度更大的紅外光激發的，允許觀察深度組織和視網膜層級結構。

 

FDA近期批準的另一種化合物是ALA（氨基乙酰丙酸）5。ALA細胞中天然產生的一種化合物。外部控制ALA能夠使ALA代謝物PpIX積聚在腫瘤細胞中，特別是神經膠質瘤。

 

PpIX在400到410納米光激發下發射紅色熒光。增強的PpIX熒光能夠用于手術區分腫瘤組織（紅色）和正常組織（藍色），確保精確完整地切除腫瘤7。

 

熒光生物標記需要特定波長才能激發?，F在，LED或激光器提供的窄帶波長光能夠與觀察用照明光使用同一光路（如圖5所示）。這樣方便手術時更準確地觀察組織。

 

可見光方便手術觀察需要解剖的區域，激發生物標記的熒光用于辨識或切除組織。一個裝置同時提供可見光和熒光激發，賦予手術多重技術，從而更好地診斷和改善病患的治療成效。

 

技術和對比試劑不斷發展，讓醫生擁有更好的工具完成復雜診斷和醫學流程。對比試劑包括白光燃料、內源自發熒光或熒光標記物。開發這些標記物的挑戰是臨床試驗中確保幾乎沒有毒性。

 

熒光技術的發展和LED和激光技術發展一樣快。科學家正在開發更好的燃料，從而標記特定組織，為定量而不是定性診斷和治療提供充足的熒光。聯合使用這些技術是保證精準手術和減少周圍組織創傷的關鍵，讓病人更快康復。

 

（來源：成貫儀器）